FinFET tendría los días contados con la aparición de MBCFET, una tecnología semiconductora que está patentada por Samsung y que está relacionada con la tecnología GAA.
Vemos muchas noticias sobre litografía, transistores FinFET de TSMC e Intel, pero hay una tecnología coreana que está tocando a la puerta y que puede cambiar las reglas del juego. Ésta es propiedad de Samsung y la marca la usará para producir en masa a partir de 2022. Está relacionada con los transistores Gate-All-Around (GAA), los cuales darán vida al primer proceso de 3nm que use esta tecnología.
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MBCFET: qué es y cómo entenderlo
En 2019, vimos como Samsung anunció su plan para reemplazar la tecnología FinFET en el Samsung Foundry Forum. En concreto, anunció la versión alpha de su kit de diseño de producto para el primer proceso de 3nm dirigido a sus socios y clientes. La tecnología de proceso más innovadora de la última década era los FinFETs, que era el siguiente paso de Planar FET.
El transistor FinFET permitía un rendimiento mayor y un escalado de voltaje brutal conforme se baja el nodo, lo que minimiza las limitaciones negativas del transistor. Sin embargo, FinFET llega a un punto en el que no puede escalar conforme se baja el proceso, lo que es un problema.
¿Por qué no puede? Básicamente, porque el área de contacto, entre el canal y la compuerta, necesita ser más grande. De este modo, el diseño GAA (Gate-All-Around) solucionaría el problema porque ajusta las dimensiones del transistor para que la compuerta quede debajo del canal, no solo arriba o a los lados. Así, se puede apilar los transistores de forma vertical, en vez de lado a lado.
El diseño GAA está basado en FETs, y puede presentarse en distintos factores de forma. Como es lógico, se ha investigado y experimentado respecto cuál es la mejor forma. Parece que Samsung apuesta por un nanohilo basado en GAAFETs, con un ancho de canal pequeño para que éste sea lo más compacto posible.
Esta solución sería útil para diseños de baja potencia, aunque volvemos a toparnos con el problema de toda nueva tecnología: es difícil de fabricar. Por tanto, la segunda opción es fabricar el canal como una hoja apaisada u horizontal, aumentando el volumen de éste. Esto ofrecería beneficios relacionados con el escalado y el rendimiento.
Por tanto, esta «nano-hoja» basada en el diseño GAAFET es lo que Samsung denomina como Multi-Bridge Channel FET: MBCFET, que es el nombre comercial que le ha otorgado la marca coreana.
Para comprender toda esta evolución, vamos a poneros en situación:
- Planar FET, ofrecían un escalado desde 22nm hasta 16nm.
- FinFETs, iban desde 22nm hasta 14nm, apurando hasta 4nm.
- MBCFETs basados en los GAAFETs, introducen el diseño de 3nm, por lo que la escalabilidad que proporcionan es impresionante.
Características de MBCFET vs FinFET
Samsung considera que la fabricación en masa de transistores MBCFET empezará a partir de 2022, aunque los primeros diseños llegarán en 2021. Podemos resumir las 3 claves de MBCFET en las siguientes:
- No se requiere más área para mejorar la velocidad. Esto es gracias a las «nano-hojas», que se pueden apilar verticalmente, en vez de añadir fins (como ocurría con los FinFETs).
- Es compatible con los diseños de FinFET tradicionales.
- Compatible con procesos actuales con la misma metodología de fabricación que FinFET.
Por otro lado, estos «nanosheets» son realmente personalizables. La anchura del nanosheet es una métrica ideal a la hora de determinar la potencia y rendimiento: cuanto más ancha sea, mayor rendimiento.
En la presentación del SFF (Samsung Foundry Forum) que hizo la marca sobre MBCFET, enseñaba 4 PDKs con distintas anchuras de estos nanosheets con el objetivo de ofrecer una co-optimización dentro del diseño del chip.
- Cuando queremos baja potencia, el diseño de transistor se centra en usar nanosheets más pequeños.
- Por el contrario, si queremos más potencia, nos interesará tener nanosheets más anchos.
Esta es una de las claves que benefician a MBCFET frente a FinFETs, ya que éstos últimos solo tienen un diseño de potencia dentro de un diseño de nodo. Esto no otorga un abanico de posibilidades amplio.
Finalidad y mejoras del Multi-Bridge Channel FET
Rehuyendo de las explicaciones técnicas, ¿en qué se va a usar esta tecnología? Samsung quiere centrar esta tecnología de semiconductores para aplicaciones de bajo consumo, como para las que sean de alto rendimiento. Entre todas ellas, las aplicaciones principales son:
- Conducción autónoma.
- 5G.
- Inteligencia artificial.
- Superordenadores (HPC).
Samsung empezará a ofrecer la primera generación de proceso 3nm usando MBCFETs, que recibirá la denominación de «proceso 3GAE». Las promesas del fabricante coreano van desde voltajes de 0.75 a 0.70V, pero, en su presentación quiso compararlo con el proceso de 7nm:
- Su rendimiento será x 1.35 superior.
- La potencia se aumentará x 0.5, y;
- El área de matriz se aumentará 0.65 veces.
Qué es un transistor GAA
Con el objeto de entender lo que supone MBCFET, es muy útil conocer qué son los transistores Gate-All-Around. Básicamente, son transistores FET (Field-Effect Transistores) que equipan puertas envueltas en 4 lados alrededor de canales ultrafinos.
Su diseño comporta un control de la puerta del canal mejorado, lo que supera la escala física y las limitaciones de rendimiento que veíamos en los FinFET. Por ende, posibilita una mayor escala de voltaje. Decir que Samsung lleva trabajando en esta tecnología GAA desde inicios del 2000.
Creemos que, para entenderlo mejor, estaría bien explicar de forma simple qué es un FinFET. Éste se trata de un transistor MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) que está construido sobre un sustrato en el que la puerta está establecida en 2, 3 o 4 lados del canal, o envuelta alrededor del canal, formando una estructura de doble puerta.
- Sustrato tipo SOI (Silicon On Insulator). Como veis, todo el transistor está dividido por capas, siendo la primera de todas este sustrato SOI, que sustituye al tradicional de silicio monocristalino.
- BOX. Es una capa recubierta de un óxido aislante u óxido de silicio, y, sobre ésta, se pone una máscara foto-resistiva.
Esperamos que os haya sido de ayuda esta información. Si tenéis alguna duda, comentad abajo y os responderemos en breve.
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¿Creéis que Samsung tiene la clave para el futuro con MBCFET?
